CN103835863B - 一种水下密封系统、应用其的潮汐能发电机组及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下密封系统、应用其的潮汐能发电机组及应用方法，所述水下密封系统包括套装于转动件上的动密封件及密封体，所述密封体在动密封件的两侧形成压力腔，所述动密封件通过其两侧压力腔之间的压差加强与转动件之间的密封连接。本发明的水下密封系统密封性能好、安全可靠、不易磨损、使用寿命长。应用该系统的潮汐能发电机组能够长期有效的对海水下潮汐能发电机组传动轴和机舱进行密封。此外，密封状态可通过压力传感器传送至海面上的监控中心，可实时监控水下机组的密封情况，实现提前预警和及时维护。

Description

一种水下密封系统、应用其的潮汐能发电机组及应用方法

技术领域

本发明涉及密封技术领域，特别是涉及一种水下密封系统、应用其的潮汐能发电机组及应用方法。

背景技术

随着海洋开发活动的深入，潮汐能发电技术得到广泛应用。其中，潮汐能发电机组的密封是需要解决的关键性问题，尤其是潮汐能发电机组的旋转轴与机舱间的动密封，其性能的好坏直接影响到潮汐能发电机组能否正常工作，甚至直接影响到机组的安全和寿命。

目前，潮汐能发电机组一般布置在海平面下20米至30米的水深，而机组传动轴与机舱间的动密封方式多采用机械式密封结构，它利用弹簧补充弹力，平衡海水的压强，将密封件紧紧的固定在内密封环的凹槽端面上，防止密封件有轴向位移，以此确保密封结构的密封效果，但此种密封结构有如下缺点：（1）磨损快，密封圈的使用寿命低；（2）密封圈的两侧介质分别是海水和润滑油，海水很容易稀释密封圈唇口处形成的润滑油膜，造成密封圈干摩擦，导致密封性能变差；（3）此种密封结构无法提供状态监测，不能实时获知潮汐能发电机组传动轴密封是否完好。

由此可见，上述现有的潮汐能发电机组传动轴与机舱密封方式上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种密封性能好的水下密封系统，从而克服现有的机械式密封结构密封性能变差的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下密封系统，用于水下非转动件与转动件之间的密封连接，所述密封系统包括套装于转动件上的动密封件及密封体，所述密封体在动密封件的两侧形成压力腔，所述动密封件通过其两侧压力腔之间的压差加强与转动件之间的密封连接。

进一步地，所述动密封件沿转动件径向的截面呈C形，所述C形的开口朝向压强较大的压力腔。

进一步地，所述密封体内设置有将靠近非转动件侧的压力腔以外的其余压力腔与对应的压力供给系统连通的管道。

进一步地，所述密封体由多个套装于转动件上的密封环组成，所述密封环相互连接并配合形成所述压力腔。

进一步地，所述密封环内设有径向管道及轴向管道，通过不同密封环内的径向管道和轴向管道相互配合，将靠近非转动件侧的压力腔以外的其余压力腔与对应的压力供给系统连通。

进一步地，所述径向管道在密封环外环面上具有开口，所述开口采用密封丝堵密封。

进一步地，所述密封环之间还设有套装在转动件上的静密封垫，所述轴向管道在密封环端面上具有开口，所述静密封垫上对应轴向管道在密封环端面上的开口位置也开有孔。

进一步地，所述压力腔包括油腔、水腔、气腔中的一种或多种。

进一步地，所述压力腔内设有压力传感器。

本发明的第二个目的是提供一种应用上述水下密封系统的潮汐能发电机组，使得机舱及传动轴之间具有长期有效的密封性能。采用如下技术方案：

一种潮汐能发电机组，包括机舱及传动轴，所述机舱及传动轴之间采用上述的水下密封系统进行密封。

进一步地，所述传动轴上套装有轴套，轴套内壁开有环形凹槽，凹槽内安放有套装于传动轴上的密封圈。

进一步地，所述密封系统包括3个动密封件以及由4个相互连接的密封环组成的密封体，距机舱由远及近依次为第四密封环、第三动密封件、第三密封环、第二动密封件、第二密封环、第一动密封件、第一密封环，所述压力腔距机舱由远及近依次为水腔、气腔、第二油腔、第一油腔。

进一步地，所述水腔、气腔、第二油腔、第一油腔的压强分别为0.4bar、0.3bar、0.1bar、0.65bar。

进一步地，所述第四密封环的远离机舱侧还连接有第四动密封件，所述第四动密封件一侧为所述水腔，另一侧为外界海水。

进一步地，所述第四动密封件靠近海水的一侧还设有防异物挡板。

进一步地，所述发电机组还包括衬套、轴承、轴承座，轴承套装在传动轴上，轴承座套装在轴承上，衬套安装在轴承座上，第一密封环与衬套连接，所述轴承座上及衬套上开有用于与第二油腔、气腔、水腔对应连通的油道、气道和水道。

本发明的第三个目的是提供一种在所述的潮汐能发电机组上安装水下密封系统的方法。采用如下技术方案：

一种在所述的潮汐能发电机组上安装水下密封系统的方法，包括以下步骤：A.在所述发电机组的传动轴上套装轴套；B.将下述部件依次套在轴套上：第四密封环、第三动密封件、第三密封环、第二动密封件、第二密封环、第一动密封件、第一密封环、衬套；C.将轴承套装在传动轴上，再将轴承座套装在轴承上，把衬套安装在轴承座上，将所述衬套上的和轴承座上的油道、气道和水道分别同心配合；D.将第一密封环同心安装在衬套上，将第一动密封件同心安装在第一密封环上，再将第二密封环同心安装在第一密封环上，依法顺次安装第二动密封件、第三密封环、第三动密封件、第四密封环；E.通过锁紧螺栓，将各密封环、各动密封件及衬套一起固定在轴承座上；F.将所述轴承座上的油道、水道、气道分别连接至对应的油、水、气压力供给系统，并将第一油腔与油压力供给系统连接。

进一步地，所述步骤A中轴套内壁开有环形凹槽，凹槽内安放密封圈，所述轴套连同密封圈一起套装到发电机组的传动轴上。

进一步地，所述步骤B中，相邻的密封环之间还套有静密封垫，所述步骤D中安装好每个动密封件后安装所述静密封垫。

进一步地，所述步骤B中在第四密封环之前、轴套上还依次套有防异物挡板及第四动密封件；所述步骤D中安装好第四密封环后再顺次安装第四动密封件及防异物挡板，使得第四动密封件一侧连通第四密封环内的水腔，另一侧连接防异物挡板并与海水连通；所述步骤E为：通过锁紧螺栓，将防异物挡板、各密封环、各动密封件及衬套一起固定在轴承座上。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

（1）本发明的水下密封系统提供了一种安全可靠的水下小转动件与非转动件间的密封方式，通过动密封件两侧保持合适的压强差，能够增强动密封件的密封唇与转动件的接触力，保证密封性能。此种密封方式能够长期有效的对海水下潮汐能发电机组传动轴和机舱进行密封。

（2）根据具体情况，动密封件可以设置多个，压力腔也可为油腔、水腔、气腔中的一种或多种，提供了密封性能优良的多种选择和组合。

（3）压力腔内可设压力传感器，可随时监测各循环系统的状态，及时进行压力补给，此外，压力传感器还可将系统中的压力数据传到海平面上的监控中心，以及时判断水下机组的密封情况，实现故障预警，指导维护人员及时对潮汐能发电机组进行维修，避免由于密封失效导致的破坏性事故。

（4）本发明可通过增设其他介质的压力腔，避免了传统动密封件的两侧介质为水与油时，密封唇口处形成的油膜被水稀释而发生密封圈干摩擦的情况，保证了动密封件的密封唇与轴套间形成良好的油膜或水膜，增加了动密封件的使用寿命和密封性能。

（5）动密封件的密封唇与轴套间的密封处产生的热量可通过油循环系统、水循环系统和气循环系统及时带走，不会发生温度过高软化动密封件而导致泄漏的情况。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的水下密封系统的结构示意图。

图2是本发明的水下密封系统的轴向剖视图。

图3是压力循环系统的设置示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种水下密封系统，用于水下非转动件与转动件之间的密封连接，将此种密封方式应用于海水下潮汐能发电机组，能够长期有效的对传动轴和机舱进行密封。

请参阅图1、图2所示，传动轴1作为水下的转动部件，其上套有轴套2，为加强密封性能，轴套2的内壁上开有多处环形凹槽，凹槽内安装有密封圈14。本发明的水下密封系统包括套装在轴套2上的动密封件及密封体，密封体在动密封件的两侧形成压力腔，动密封件通过两侧压力腔之间的压差加强与轴套2之间的密封连接。

其中，密封体可以设置为由多个套装于轴套2上的密封环组成，密封环相互连接并配合形成所述压力腔。密封环近轴套2的端面上开有安装动密封件的凹槽，动密封件沿传动轴1径向的截面呈C形，所述C形的开口朝向压腔较大的压力腔。其中，压力腔可以根据实际情况选择油腔、水腔、气腔中的一种或多种，当选择其中的多种时，为避免密封处形成的油膜被稀释，油腔和水腔最好不相邻设置。

在密封环内设有将除靠近非转动件侧的压力腔以外的其余各压力腔与对应的压力供给系统连通的管道，管道包括径向管道及轴向管道，不同密封环内的径向管道和轴向管道相互配合将上述压力腔与对应的压力供给系统连通。其中，径向管道在密封环外环面上具有开口，该开口可采用密封丝堵13密封。轴向管道在密封环的端面上具有开口，相邻密封环上的该开口相互对齐。此外，为进一步加强密封性能，在密封环之间，尤其是靠近机舱侧的密封环之间，可进一步设有静密封垫12，静密封垫12可通过在密封环的端面上设置环形凹槽安放，此外，如果此处静密封垫12的环面经过轴向管道在密封环端面上的开口处，则在所述静密封垫12的对应位置上也应开有孔。

根据以上设置，可形成图1、2中所示的如下布局：距机舱由远及近，发电机组的轴套2上依次套装有：第四密封环9、第三动密封件11-3、第三密封环8、第二动密封件11-2、静密封垫12、第二密封环7、第一动密封件11-1、静密封垫12、第一密封环6。所述压力腔距机舱由远及近依次为水腔9-1、气腔8-1、第二油腔7-1、第一油腔6-1。四个压力腔可根据具体情况设置压强，本例中设置对应次序的压力腔压强依次为0.4bar、0.3bar、0.1bar、0.65bar。其中水腔9-1、气腔8-1、第二油腔7-1分别设置在第四密封环9、第三密封环8、第二密封环7内部。此外，在第四密封环的远离轴承4侧还连接有第四动密封件11-4，该第四动密封件11-4一侧连通所述水腔9-1，另一侧连通外界海水。为防止海水中的异物产生干扰，在第四动密封件11-4的连通海水侧还设有防异物挡板10。此处的防异物挡板10也可以采用与上述密封环同材质的环形件的形式套装在轴套2上，该环形件一方面将第四动密封件11-4压紧在第四密封环9上的凹槽内，另一方面在该第四动密封件11-4的C形开口外侧形成隔挡，在阻拦海水中异物的同时不妨碍海水进入，使得该第四动密封件11-4的C形开口侧充满比背侧的水腔9-1压强大的海水。

请继续参阅图1、图2所示，应用本发明的水下密封系统的潮汐能发电机组还包括衬套5、轴承4及轴承座3，轴承4套装在传动轴1上，通过轴套2的端面实现轴承4的定位，轴承座3套装在轴承4上，衬套5安装在轴承座3上，第一密封环6与衬套5连接，衬套5上及轴承座3上开有分别与第二油腔7-1、气腔8-1、水腔9-1连通的油道、气道和水道，其中，衬套5上开有轴向油道5-1，轴承座3上开有轴向油道3-1和径向油道，衬套5的轴向油道5-1与轴承座3上的轴向油道3-1同心配合，轴承座3的轴向油道3-1通过所述径向油道连接至轴承座3上的油润滑孔位。轴承4、轴套2配合第一密封环6在第一动密封件11-1的C形开口侧形成第一油腔6-1，第一油腔6-1内充满润滑油，在保证良好的密封的同时还可保证轴承得到良好的润滑。

请配合参阅图3所示，压力供给系统包括油供给系统15、水供给系统16、气供给系统17，各压力腔通过密封环内设置的径向管道和轴向管道，分别连通至各自对应的压力供给系统。具体而言，将油供给系统15连接到轴承座3上的油润滑孔位，并分别与第一油腔6-1和第二油腔7-1连通，形成一套完整的油循环系统，该油循环系统通过设置各种溢流阀和电磁换向阀实现第一油腔6-1和第二油腔7-1的压强不同；将气供给系统17连接到轴承座3上的气道，并与第三密封环8内的气腔8-1连通，形成完整的气循环系统；将水供给系统16连接到轴承座3上的水道，并与第四密封环上的水道9-1连通，形成一套完整的水循环系统。

上述的油循环系统、水循环系统和气循环系统均为反馈系统，三个系统中均设有压力传感器，当系统的压力小于预设值时，系统可通过电机自动启动补充压力，保证密封性能。

此外，压力传感器还可将系统中的压力数据传到海平面上的监控中心，可随时监测系统状态，实现故障预警，指导维护人员及时对潮汐能发电机组进行维修，避免由于密封失效导致破坏性事故。

请配合参阅图1、图2所示，在潮汐能发电机组上安装本发明的水下密封系统时，可按照如下步骤进行：

（1）先将密封圈14放入轴套2的凹槽内，然后将轴套2连同密封圈14一起安装到传动轴1上。

（2）按照防异物挡板10、第四动密封件11-4、第四密封环9、第三动密封件11-3、第三密封环8、第二动密封件11-2、静密封垫12、第二密封环7、第一动密封件11-1、静密封垫12、第一密封环6、衬套5的顺序，将上述部件套在轴套2上。

（3）将轴承4套装在传动轴1上，通过轴套2的端面实现轴承4的定位，然后再将轴承座3套装在轴承4上，轴承座3上开有轴向油道3-1和径向油道，轴向油道3-1通过所述径向油道连接至轴承座3的油润滑孔位，为防止润滑油泄漏，在安装轴承座3时一定要保证轴承座3的轴向油道3-1竖直向上。

（4）把衬套5安装在轴承座3上，安装时保证衬套5的油道5-1与轴承座3上的轴向油道3-1同心配合；同时，衬套5上的气道和水道与轴承座3上的气道和水道同心配合。

（5）将第一密封环6同心安装在衬套5上，安装时衬套5的油道5-1与第一密封环上对应的轴向管道同心配合，以保证衬套5的油道5-1通过该轴向管道与第二油腔7-1连通；同样，衬套5上的气道和水道也分别与第一密封环上对应的轴向管道同心配合。

（6）将静密封垫12及第一动密封件11-1分别放入第一密封环6上所开的对应凹槽内，注意不要使第一动密封件11-1的密封唇有任何弯曲。

（7）将第二密封环7同心安装在第一密封环6上，安装时对齐第二密封环7与第一密封环6上相互对应的轴向管道，以保证各压力腔与对应压力供给系统连通，与此同时，保证第二密封环7的端面压平第一动密封件11-1和静密封垫12。

（8）将静密封垫12及第二动密封件11-2分别放入第二密封环7的对应凹槽内，注意不要使第二动密封件11-2的密封唇有任何弯曲。

（9）将第三密封环8同心安装在第二密封环7上，安装时对齐第二密封环7与第三密封环8上相互对应的轴向管道，以保证气腔8-1及水腔9-1与对应压力供给系统连通，与此同时，保证第三密封环8的端面压平第二动密封件11-2和静密封垫12。

（10）将第三动密封件11-3放入第三密封环8的对应凹槽内，注意不要使第三动密封件11-3的密封唇有任何弯曲。

（11）将第四密封环9同心安装在第三密封环8上，安装时对齐第三密封环8上与第四密封环9相互对应的轴向管道，以保证水腔9-1与对应压力供给系统连通，与此同时，保证第四密封环9的端面压平第三动密封件11-3和静密封垫12。

（12）将第四动密封件11-4放入第四密封环9的对应凹槽内，注意不要使第四动密封件11-4的密封唇有任何弯曲。

（13）将防异物挡板10同心安装在第四密封环9上，保证防异物挡板10的端面压平第四动密封件11-4。

（14）通过锁紧螺栓15，将防异物挡板10、第四动密封件11-4、第四密封环9、第三动密封件11-3、第三密封环8、第二动密封件11-2、静密封垫12、第二密封环7、第一动密封件11-1、静密封垫12、第一密封环6、衬套5一起固定在轴承座3上。

（15）将油供给系统15、水供给系统16及气供给系统17分别与轴承座3的油润滑孔位、水道、气道连接，形成各自独立完整的油循环系统、水循环系统及气循环系统。

通过上述油循环系统、水循环系统和气循环系统不同压强值的设定，能够保证各动密封件的“C”口侧压强大于另一侧，在潮汐能发电机组的工作过程中，在压差的作用下，通过动密封件“C”口的变形，能够增加动密封件与轴套2的接触力，保证密封性能。

按上述实施例中各压力腔设置的压强值为例，本发明的应用上述水下密封系统的潮汐能发电机组在下水前要进行调试，调试时要保证以下数据的实现：

①调节油循环系统，通过设置的各种溢流阀和电磁换向阀的作用使第一油腔6-1和第二油腔7-1内充满润滑油，且第一油腔6-1的油压为0.65bar，第二油腔7-1的油压为0.1bar。

②调节气循环系统，使气腔8-1内充满压强为0.3bar的空气。

③调节水循环系统，使水腔9-1内充满压强为0.4bar的水。

通过上述油循环系统、水循环系统和气循环系统的共同作用，本发明的应用上述水下密封系统的潮汐能发电机组实现了传动轴与机舱的可靠密封，距机舱由近及远的动密封件两侧的介质分别为：油-油、油-气、气-水、水-水，避免了动密封件的两侧介质为水与油时，密封唇口处形成的油膜被水稀释的情况，保证了动密封件的密封唇与轴套2间形成良好的油膜或水膜，增加了动密封件的使用寿命和密封性能。此外，密封处产生的热量可通过上述油循环系统、水循环系统和气循环系统及时带走，不会发生温度过高软化动密封件而导致泄漏的情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种水下密封系统，用于水下非转动件与转动件之间的密封连接，其特征在于，所述密封系统包括套装于转动件上的动密封件及密封体，所述密封体在动密封件的两侧形成压力腔，所述动密封件通过其两侧压力腔之间的压差加强与转动件之间的密封连接；

所述密封系统包括3个动密封件以及由4个相互连接的密封环组成的密封体，距非转动件由远及近依次为第四密封环、第三动密封件、第三密封环、第二动密封件、第二密封环、第一动密封件、第一密封环，所述压力腔距非转动件由远及近依次为水腔、气腔、第二油腔、第一油腔。

2.根据权利要求1所述的水下密封系统，其特征在于，所述动密封件沿转动件径向的截面呈C形，所述C形的开口朝向压强较大的压力腔。

3.根据权利要求1所述的水下密封系统，其特征在于，所述密封体内设置有将靠近非转动件侧的压力腔以外的其余压力腔与对应的压力供给系统连通的管道。

4.根据权利要求1所述的水下密封系统，其特征在于，所述密封环内设有径向管道及轴向管道，通过不同密封环内的径向管道和轴向管道相互配合，将靠近非转动件侧的压力腔以外的其余压力腔与对应的压力供给系统连通。

5.根据权利要求4所述的水下密封系统，其特征在于，所述径向管道在密封环外环面上具有开口，所述开口采用密封丝堵密封。

6.根据权利要求4所述的水下密封系统，其特征在于，所述密封环之间还设有套装在转动件上的静密封垫，所述轴向管道在密封环端面上具有开口，所述静密封垫上对应轴向管道在密封环端面上的开口位置也开有孔。

7.根据权利要求1所述的水下密封系统，其特征在于，所述压力腔内设有压力传感器。

8.一种潮汐能发电机组，包括机舱及传动轴，其特征在于，所述机舱及传动轴之间采用权利要求1-7任一项所述的水下密封系统进行密封。

9.根据权利要求8所述的潮汐能发电机组，其特征在于，所述传动轴上套装有轴套，轴套内壁开有环形凹槽，凹槽内安放有套装于传动轴上的密封圈。

10.根据权利要求8所述的潮汐能发电机组，其特征在于，所述水腔、气腔、第二油腔、第一油腔的压强分别为0.4bar、0.3bar、0.1bar、0.65bar。

11.根据权利要求8所述的潮汐能发电机组，其特征在于，所述第四密封环的远离机舱侧还连接有第四动密封件，所述第四动密封件一侧为所述水腔，另一侧为外界海水。

12.根据权利要求11所述的潮汐能发电机组，其特征在于，所述第四动密封件靠近海水的一侧还设有防异物挡板。

13.根据权利要求8所述的潮汐能发电机组，其特征在于，所述发电机组还包括衬套、轴承、轴承座，轴承套装在传动轴上，轴承座套装在轴承上，衬套安装在轴承座上，第一密封环与衬套连接，所述轴承座上及衬套上开有用于与第二油腔、气腔、水腔对应连通的油道、气道和水道。

14.一种在权利要求13所述的潮汐能发电机组上安装水下密封系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.在所述发电机组的传动轴上套装轴套；

B.将下述部件依次套在轴套上：第四密封环、第三动密封件、第三密封环、第二动密封件、第二密封环、第一动密封件、第一密封环、衬套；

C.将轴承套装在传动轴上，再将轴承座套装在轴承上，把衬套安装在轴承座上，将所述衬套上的和轴承座上的油道、气道和水道分别同心配合；

D.将第一密封环同心安装在衬套上，将第一动密封件同心安装在第一密封环上，再将第二密封环同心安装在第一密封环上，依法顺次安装第二动密封件、第三密封环、第三动密封件、第四密封环；

E.通过锁紧螺栓，将各密封环、各动密封件及衬套一起固定在轴承座上；

F.将所述轴承座上的油道、水道、气道分别连接至对应的油、水、气压力供给系统，并将第一油腔与油压力供给系统连接。

15.根据权利要求14所述的安装水下密封系统的方法，其特征在于，所述步骤A中轴套内壁开有环形凹槽，凹槽内安放密封圈，所述轴套连同密封圈一起套装到发电机组的传动轴上。

16.根据权利要求14所述的安装水下密封系统的方法，其特征在于，所述步骤B中，相邻的密封环之间还套有静密封垫，所述步骤D中安装好每个动密封件后安装所述静密封垫。

17.根据权利要求14所述的在潮汐能发电机组上安装水下密封系统的方法，其特征在于，所述步骤B中在第四密封环之前、轴套上还依次套有防异物挡板及第四动密封件；所述步骤D中安装好第四密封环后再顺次安装第四动密封件及防异物挡板，使得第四动密封件一侧为第四密封环内的水腔，另一侧连接防异物挡板并与海水连通；所述步骤E为：通过锁紧螺栓，将防异物挡板、各密封环、各动密封件及衬套一起固定在轴承座上。